一种U型电极红细胞与血小板微分离装置

谭赫 方海旋

摘 要 介电泳技术作为近些年发展起来的技术，在细胞分离方面有重大影响，本研究以红细胞与血小板混合液为研究对象，通过在微流体通道上不同位置施加电极，产生不均匀电场，由于细胞自身的性质不同，会向着不同的方向运动，这样就可实现红细胞与血小板的分离。数值模拟结果显示，所设计微流体通道能够很好的实现不同半径大小的细胞分离，该结论可以为微流控芯片细胞分离结构设计提供理论参考。

关键词 介电泳 ；细胞分离 ；数值模拟 ；微流控芯片

中图分类号 R730.8

A kind of U-shaped Electrode Erythrocyte and Platelet Microseparation Device.

TAN He FANG Haixuan

（Mechanical and Electrical Engineering College，Hainan University，Haikou，Hainan 570228）

Abstract Dielectrophoresis technology is a new technology developed in recent years， it has significant influence in cell separation. In this study， erythrocyte and blood platelets mixture are the research object. By applying the electrode on microfluidic channels in different position， producing non-uniform electric field， because the cells themselves have different properties， they move to different directions， so that we can separation the erythrocyte and blood platelets. Numerical simulation results shows that the microfluidic channels can achieve different radius of the cell separation， the conclusion can provide theoretical reference for microfluidic chip cell separation structure design.

Key words dielectrophoresis ； cell separation ； numerical simulation ； microfluidic chip

微流控芯片技术作为研究的热门领域，具有微型化、便携化、可集成、成本低廉等特点，其所依托的微流控技术已成为应用于机械、化学工程、生物医学、航空航天等多个领域的崭新技术；微流控芯片可应用于生物细胞以及微纳粒子的操控、分离和筛选，尤其是在肿瘤细胞和体细胞研究，以及基因组绘制等研究领域具有重要应用；在疾病的诊断和医学检测过程中，将要检测细胞从混合物中分离出来具有重要意义[1-4]。

細胞分选是从大量非均一细胞群体中获取某种特定细胞的一种技术，常用于细胞生物学和临床医学领域[5-7]。但是目前所常用的分选方式是以流式细胞仪为主，流式细胞仪设备不仅价格昂贵，而且体积庞大，需要专人操作，且细胞用量较大（一般数量>104），难以在实验室和医院得到广泛地应用；微流控芯片的出现在某种程度上克服了这些局限性，且微流控芯片成本低，并有可能实现仪器的小型化、集成化、自动化和便携化；目前基于微流控芯片技术的细胞分选方法包括以下几种：荧光激光分选、磁珠免疫分选、夹流分选、介电电泳分选、微过滤器分选和表面改性分选。

介电泳技术作为一种有效的微纳颗粒操控方法，最早提出于20世纪50年代，在近些年取得了快速的发展[8]。其中一种操控方法是设计特殊结构的微电极及微流通道结构，通过在微电极上施加一定电压，产生非均匀电场，通过所产生非均匀电场对粒子的介电泳作用，实现对溶液中的微纳粒子的高效、准确、快速的操纵及分离。

1 分离装置与方法

1.1 分离装置

本研究所设计的一种新型结构U形电极红细胞与血小板微分离装置，用于分离红细胞和血小板等中性粒子，提高微分离装置的灵敏度，简化微流通道结构，通过设计电极即可实现红细胞与血小板的分离。

由图1可知，U型电极红细胞与血小板微分离装置结构包括待分离血液入口1（1）、载流体入口2（2）、缓冲室（3）、微流体通道（5）、7个电极（3、6、7、8、9、10、11）、出口1（13）以及出口2（12）；其入口1（1）和出口1（13）的轴线与微流体通道（5）的轴线夹角为45°；同样的，入口2（2）和出口2（12）的轴线与微流体通道（5）的轴线夹角为45°；入口1（1）和入口2（2）、出口1（13）和出口2（12）在几何结构上分别关于微流体通道（5）的中轴线对称，且2个入口与2个出口几何结构相同；其微流体通道的三维结构长度为560 μm，宽度为50 μm，高度为50 μm，该分离装置为左右对称结构，其总长为832 μm；在二维结构图中，U形电极宽度为c，均匀分布于微流体通道上方，同样的，矩形电极4和11分别位于微流体通道5两端，宽度为a，其二维结构在水平方向上，矩形电极宽度a：U形电极宽度c：电极间距b=2：3：4，在垂直方向上，U形电极高h1：矩形电极高h2=1：1。

1.2 方法

该设计结构是在微流体通道上不同位置添加的电极，这些电极会在微流体通道中产生非均匀电场，红细胞与血小板由于半径大小不同、电导率也不同，导致其受力大小不同，受力方向也不同，基于此，该结构可实现红细胞与血小板的分离。

该结构为保证较脆弱的红细胞与血小板在流动过程中受到较小的损伤，在待分离血液入口1（1）、载流体入口2（2）交汇处，将矩形电极（4）进行修正，沿待分离血液入口（1）的外壁延长线对矩形电极进行切割，形成一定空间，这部分作为缓冲室（3），很好的保证了红细胞与血小板在通过时不会因急剧的结构改变而造成比较大的损伤，从而能够保证所分离出来的细胞结构的完整性，同时2个缓冲室的具体结构不会对红细胞与血小板介电泳运动产生阻碍或过大干扰；同样的，缓冲室（12）由红细胞出口（13）、血小板出口（14）、电极（11）、微流体通道（5）交汇而成；考虑到芯片加工时的工艺性，该分离装置设计为左右对称结构，且2个入口、2个出口结构相同，矩形电极（4、11）结构相同，U型电极（6、7、8、9、10）结构相同；U型电极（6、7、8、9、10）均匀分布于微流体通道（5）上方，保证了红细胞与血小板在流经所述微流体通道时每一阶段都会受到介电泳力，从而保证了分离的质量与效率。该结构其长度并不限于此，可以根据实际分离需要适当缩短或加长其长度，相应减少或增加U形电极个数，以达到所需最佳分离效果為准。

2 结果与分析

通过有限元软件对粒子分离进行模拟，这部分需要用到电场、流场和流场中的粒子追踪，随后导出电场分布图和细胞分离效果图。

2.1 电场分布

微流体通道（5）内空间不均匀电场是由不同位置添加的电极产生的，但是在实际的应用中，细胞的强度会远远小于模拟数值，较大的电场强度会对细胞产生损伤，所以，采用在电极（4、7、9、11）上施加电压为+5 V，在电极（6、8、10）上施加电势为-5 V，空间不均匀电场分布见图2。

图2为U形电极红细胞与血小板微分离装置微流体通道内电场分布，不同颜色表示不同数值的电势大小，白色代表电压为+5 V，黑色代表电压为-5 V，颜色越浅代表电势越大，图2中可看出微流体通道各处电势大小。

2.2 细胞分离效果

具体实施方案为，将待分离红细胞与血小板混合液从入口1注入，初始流速为150 μm/s；载流体从入口2注入，初始流速为850 μm/s，载流体电导率为55 mS/m，载流体可以通过实验配置，具体配置方法为取适量的纯净水，向其中逐步加入少量KCL颗粒，加入过程中不断搅拌，直至用电导率仪检测溶液的电导率到达要求即可。

本模拟实验中，血小板电导率为σ1=0.25 S/m，介电常数为50；红细胞电导率为σ2=0.31 S/m，介电常数为59；将红细胞与血小板统一看作是微纳颗粒，其在血液中密度为1 050 kg/m3；血液的动力粘度近似设置为0.001 Pa·S。

图3为U形电极红细胞与血小板微分离装置分离效果二维图，小直径黑色颗粒代表血小板，从出口1流出，大直径黑色颗粒代表红细胞，从出口2流出，模拟结果表明，所述微分离结构能够实现红细胞与血小板的分离效果。

3 结论

本研究所设计的U型电极红细胞与血小板微分离装置，通过设计电极实现红细胞与血小板的分离，大大简化了装置的复杂程度，有限元仿真结果表明，当电压为-5-5 V之间，红细胞与血小板能够实现较好的分离，同时对细胞也不会产生较大的损伤，该分离结构可以为微流控芯片细胞分离结构设计提供理论参考。

参考文献

[1] 李 彬. 流道结构诱导的绝缘介电泳分离微尺度粒子研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

[2] 秦建华，刘婷姣，林炳承. 微流控芯片细胞实验室[J]. 色谱，2009，27（5）：655-661.

[3] 陈 斌. 基于微流控芯片的临床基因诊断应用研究[D]. 广州：广州医学院，2010.

[4] 刘顺东，张鸿雁，沈 萍，等. 基于介电电泳的微尺度颗粒分离研究进展[J]. 微纳电子技术，2012，49（4）：268-279.

[5] Danova M，Torchio M，Mazzini G. Isolation of rare circulating tumor cells in cancer patients： technical aspects and clinical implications[J]. Expert review of molecular diagnostics，2011，11（5）：473-485.

[6] Gascoyne P R C，Wang X B，Huang Y，et al. Dielectrophoretic separation of cancer cells from blood[J]. IEEE transactions on industry applications，1997，33（3）：670-678.

[7] Geislinger T M，Eggart B，Braunmüller S，et al. Separation of blood cells using hydrodynamic lift[J]. Applied Physics Letters，2012，100（18）：999.

[8] Pethig R. Dielectrophoresis：Status of the theory，technology，and applications[J]. Biomicrofluidics，2010，4（2）：022811.